UNESP
Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá
Guaratinguetá
ESTUDO SOBRE EFICÊNCIA ENERGÉTICA EM UMA UNIDADE INDUSTRIAL
Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias
Guaratinguetá
G18 8e
Gâmbaro, Daniel
Estudo sobre eficiência energética em uma unidade industrial / Daniel Gâmbaro – Guaratinguetá : [s.n], 2011.
82 f : il.
Bibliografia: f. 81
Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica – Universidade
Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2011. Orientador: Prof. Dr. Rubens Alves Dias
1. Energia elétrica – conservação 2. Análise energética I. Título
DANIEL GÂMBARO
2005/2011 Curso de Graduação em Engenharia Elétrica
Universidade Estadual Paulista – UNESP – Campus de
Guaratinguetá.
2003/2004 Cursinho Pré Vestibular
Cursinho do Sindicato, Campinas Cursinho Objetivo, Campinas
2000/2001 Curso Técnico em Contabilidade Colégio Evolução, Campinas
1997/2000 Ensino Médio
Escola Adalberto Prado e Silva, Campinas
FILIAÇAO José Maria Gâmbaro
Dalva Alves Anunciação Gâmbaro
Agradeço, acima de tudo, ao meu Senhor e Salvador Jesus Cristo, que me amou e a si mesmo se entregou pelos meus pecados.
Em segundo lugar, agradeço aos meus pais, José Maria Gâmbaro e Dalva Alves Anunciação Gâmbaro, de modo que, por meio deles todas as minhas necessidades foram supridas durante todo o período de graduação, e não só pelo suporte financeiro, mas pelo suporte amoroso, pois desde o princípio eles me amaram, ampararam e apoiaram e isso não diz respeito apenas a minha vida no período acadêmico.
Agradeço ainda a alguns amigos que fizeram parte da minha vida nesta fase, dentre eles, André da Silva Reis, o Ricochete, que morou comigo durante muitos anos, criando grandes laços de amizade, ajudou-me ainda a me tornar um homem mais paciente e compreensivo através do convívio diário.
Ao Luiz Stefano Segnini Mori, o Temo, que foi paciente comigo, me aturando em uma fase de extrema rebeldia nos dois primeiros anos da graduação; seus conselhos me ajudaram a me tornar uma pessoa mais calma e pacífica, sendo eu grato por ele ter passado pela minha vida.
Ao Cássio Luisada Troiano, o Currida, este foi meu melhor amigo. Desde o primeiro ano foi a pessoa que mais passou tempo comigo; sua amizade, companheirismo e ajuda tornaram estes anos de graduação muito menos difícil, agradável e divertido; foi ele, também, meu parceiro e cúmplice das mais diversas aventuras realizadas nesse período. Essa amizade, para mim, é mais preciosa que ouro, e levarei para toda a vida.
Ao César Bastamante, o Podre, o qual veio a se tornar um grande amigo, perseverando na graduação juntamente comigo e com o Cássio, acabou que, um foi apoiando no outro, se ajudando e se animando, sendo parceiros na aprovação e na retenção e, agora, para a nossa alegria, na conclusão.
A Marina, a Brisa, que foi a mulher que Deus colocou em meu caminho nesse período de faculdade para revirar meu mundo, e acabou se tornando uma das pessoas mais importantes na minha vida. Foi com ela que Deus me trouxe de volta para o caminho de Cristo, e eu, para sempre serei grato pelos passos dela terem se encontrado com os meus.
A Márcia Mayumi, a Márcia, que desde 2009 me proporcionou material de apoio, sempre gentil e compreensiva com aqueles que tinham dificuldades em copiar a matéria e, sendo representante de sala sempre levou em consideração a opinião dos seu colegas de sala na hora de escolher as datas mais adequadas para as provas, sua ajuda e compromisso com a turma foi essencial para minha formação e eu lhe sou abundantemente grato.
Ao grupo Grão de Mostarda que mesmo vindo a frequentá-lo apenas no ultimo ano, posso dizer que fui extremamente abençoado na comunhão com os irmãos dali e oro para que Deus continue abençoando este grupo para que o mesmo permaneça firme em seu propósito.
A Bastian Grigo e a Henrique Sampaio, que foram meus orientadores dentro da empresa onde eu realizei o estágio supervisionado e que realmente buscaram fazer o melhor possível para me ensinar como agir no ambiente empresarial, dando suporte e ajudando em todas as etapas do projeto realizado, culminando no final do estágio, graças à ajuda deles, em resultados satisfatórios tanto para empresa quanto para mim, cujo aprendizado neste período serviu de base para realizar o trabalho de graduação.
Elétrica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2011.
RESUMO
Este trabalho contempla um estudo de oportunidades do uso racional de energia em uma unidade industrial a partir da análise da demanda e consumo de energia elétrica. Através de um roteiro de análise energética descreveu-se como encontrar os principais problemas que geram desperdícios de energia em uma indústria, apontando meios para que os processos de produção evitem tais desperdícios e passem a utilizar a energia de forma racional e eficiente. Observou-se ainda, a viabilidade técnica e econômica de possíveis intervenções a serem aplicadas em termos de conservação de energia e de possíveis alternativas para o suprimento da demanda.
do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2011.
ABSTRACT
This work contemplates an opportunities study of the rational use of energy in an industrial unity from the demand analysis and electrical energy consumption. Through a guide of energy analysis it was described how to find the main problems that create energy wastes in an industry, showing the ways so the production processes avoid such wastes and start to use energy in a more sensible e efficient way. It was also studied, the technical e economical viability of possible interventions to be implemented in terms of energy conservation and of possible demand supply alternatives.
Figura 2.1 – Estrutura de oferta mundial de energia por fonte. . ... 19
Figura 2.2 – Níveis de produção de energia elétrica no Brasil ... 21
Figura 2.3 – Esquema de funcionamento de uma hidrelétrica . ... 22
Figura 2.4 – Distribuição de energia hidrelétrica no mundo 2010 ... 22
Figura 2.5 –Bons Ventos, fazenda eólica, Ceará ... 25
Figura 2.6 – Distribuição da energia solar ao redor do mundo . ... 26
Figura 2.7 – Torre de energia solar na Espanha ... 27
Figura 2.8 – Oferta de energia elétrica por fonte no Brasil . ... 31
Figura 2.9 – Consumo energético por setor . ... 31
Figura 2.10 – Insumos usados nos processos industriais . ... 32
Figura 3.1 – Etapas de um programa de uso racional de energia ... 34
Figura 3.2 – Etapas de uma auditoria energética ... 35
Figura 3.3 – Exemplos de diagrama de Sankey ... 37
Figura 3.4 – Diagrama do fator de potência ... 38
Figura 4.1 – Porcentagem de potência instalada por setor ... 52
Figura 4.2 – Perfil da demanda ativa anual de 2011 ... 56
Figura 4.3 – Projeção de crescimento da demanda ... 58
Figura 4.4 – Fator de carga ao longo de 2011 ... 61
Figura 4.5 – Consumo ativo de energia elétrica mês maio/2011 ... 64
Figura 4.6 – Consumo anual de energia elétrica ... 65
Figura 4.7 – Comportamento do fator de potência ao longo de 2011 ... 71
Figura 4.8 – Triângulo das potências... 74
Quadro 3.1 – Conteúdo típico do relatório de uma auditoria energética... 36
Quadro 3.2 – Fatores de simultaneidade ... 40
Quadro 3.3 – Fatores de utilização ... 40
Quadro 3.4 – Tensão de fornecimento – Grupo A ... 43
Quadro 3.5 – Resumo do faturamento tarifário ... 48
Quadro 4.1 – Total de potência instalada na planta da empresa ... 52
Quadro 4.2 – ANELL – Anexo II-A – Tarifa de demanda para consumidores livres ... 53
Quadro 4.3 – Demandas de ponta e fora de ponta ao longo de 2011 ... 56
Quadro 4.4 – Principais valores de demanda de 2011 ... 56
Quadro 4.5 – Multas por ultrapassagem de demanda contratada ao longo de 2011 ... 57
Quadro 4.6 – Fator de demanda e de carga típicos para consumidores ligados em alta tensão ... 60
Quadro 4.7 – Principais valores do fator de carga ... 61
Quadro 4.8 – Consumo na ponta e fora de ponta ao longo de 2011 ... 66
ACL - Ambiente de Contratação Livre ACR - Ambiente de Contratação Regulado ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
ANFAVEA - Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores BEN - Balanço Energético Nacional
CCEAR - Contratos de Comercialização de Enegia Elétrica no Ambiente Regulado
CCEE - Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
FDR - Faturamento de Demanda Reativa FER - Faturamento de Energia Reativa GCH - Grandes Centrais Hidrelétrica HFP - Horário Fora de Ponta
HP - Horário de Ponta
IEA - Agência Internacional de Energia ONS - Operador Nacional do Sistema PCH - Pequenas Centrais Hidrelétricas PCP - Planejamento e Controle da Produção PLD - Preço de Liquidação das Diferenças
PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia
PRODIST - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Renováveis
UFDR - Demanda Reativa
Dmáx Demanda Máxima da Instalação [W] ou [VA]
Dméd Demanda Média [W]
f Frequência [Hz]
Fc Fator de Carga [%]
Fd Fator de Demanda [%]
Fs Fator de Simultaneidade [%]
Fp Fator de Potência [%]
Fu Fator de Utilização [%]
Pap Potência Aparente [VA]
Pat Potência Ativa [W]
Pc Potência dos Capacitores [VAr]
Pconsumo Parcela Referente ao Consumo [R$]
Pdemanda Parcela Referente à Demanda [R$]
Pultrpassagem Parcela Referente à Ultrapassagem [R$]
Pinst Potência Instalada [W] ou [VA]
Pmáx Potência Máxima Medida [W]
Pre Potência Reativa [VAr]
φ Ângulo Formado entre Pap e Pat [º]
Ψ1 Ângulo do Fator de potência Original [º]
1 INTRODUÇÃO ... 15
2 ENERGIA ELÉTRICA E DESENVOVIMENTO SUSTENTÁVEL ... 17
2.1 Introdução ... 17
2.2 Aspectos históricos recentes da questão energétcia ... 17
2.3 Fontes de energia ... 18
2.3.1 Fontes convencionais ... 18
2.3.2 Fontes não convencionais ... 23
2.4 Questões Ambientais ... 29
2.5 Energia Elétrica no Setor Industrial ... 30
3 ELEMENTOS CONCEITUAIS... 33
3.1 Introdução ... 33
3.2 Procedimentos de análise energética ... 33
3.2.1 Etapas de uma auditoria energética ... 34
3.2.2 Relatório do diagnóstico energético ... 35
3.3 Definições de conceitos e fatores de projeto ... 38
3.4 Condições de fornecimento de energia elétrica ... 42
3.4.1 Classificação dos consumidores de energia elétrica ... 42
3.4.2 Aspectos de comercialização de energia elétrica ... 43
3.5 Tarifas de energia elétrica ... 45
3.5.1 Tarifa convencional ... 45
3.5.2 Tarifa horo-sazonal verde ... 46
3.5.3 Tarifação horo-sazonal azul ... 47
4 ESTUDO DE CASO ... 51
4.1 Introdução ... 51
4.2 Escolha da empresa a ser analisada ... 51
4.3 Levantamento de potências instaladas ... 51
4.4 Caraterização da empresa no mercado energético ... 52
4.5 Análise dos dados de demanda de energia elétrica ... 55
4.6 Fatores de projeto ... 59
4.6.1 Análise do fator de demanda ... 60
4.6.2 Análise do fator de carga ... 61
4.6.3 Análise do fator de simultaneidade... 63
4.6.4 Análise do fator de utilidade ... 63
4.7 Análise do consumo de energia eletrica ... 63
4.7.1 Motores eletricos ... 66
4.7.2 Transformadores ... 67
4.7.3 Sistemas de iluminação ... 69
4.7.4 Ar condicionado ... 70
4.8 Análise do fator de potência ... 71
4.9 Alternativas energéticas ... 75
4.9.1 Painel fotovoltaico ... 75
4.9.2 Gerador a diesel no horário de ponta ... 76
4.9.3 Migração do subgrupo A4 para A2 com tensão de atendimento de 88 kV ... 77
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 79
1 INTRODUÇÃO
Dentre os conceitos relacionados com o desenvolvimento sustentável, o da eficiência energética ganha significativo destaque uma vez que este se encontra na base dos sistemas que atendem as necessidades humanas.
O setor energético ainda é um dos grandes responsáveis pelos impactos ambientais da atualidade, causando danos ao meio ambiente desde o uso de recursos naturais para seu processo produtivo básico, até seus consumidores finais, sejam eles de qualquer setor ou segmento da sociedade. Com isso, tem-se aumentado as pesquisas e investimentos direcionados no que diz respeito à eficiência energética de modo a diminuir desperdícios e respeitar as leis e normas aplicadas ao meio ambiente.
Neste contexto, pesquisou-se e obteve-se os dados das principais fontes renováveis e não renováveis de energia elétrica em âmbito global e nacional, destacando entre seus principais pontos os seguintes aspectos: quais fontes têm se mostrado mais eficientes, quais tem se mostrado mais promissoras, quais as mais viáveis economicamente, as que causam menor impacto ambiental entre outros. Além disso, foram enfatizados os desperdícios com energia elétrica no Brasil a fim de propor melhorias no setor de atividade em que o consumo da mesma é mais elevado e, onde muitas vezes, por falta de conhecimento no assunto, acaba-se fazendo um mau uso da eletricidade.
O Brasil, segundo Ferreira (2009), em termos de desperdício de energia elétrica, se gasta mais de 10 bilhões de reais por ano, o que é aproximadamente 10% do valor da energia total gerada no país de acordo com cálculos do governo federal.
trabalho que, se negligenciados, geram custos e desperdícios que podem e devem ser evitados.
Com base no que foi dito acima, a definição de metodologias de diagnósticos e análise da conservação de energia que visam diminuir ao máximo as perdas e os desperdícios de energia elétrica nas indústrias, deve ser tratada com seriedade, pois são elas que proporcionam melhor eficiência no sistema energético culminando no uso racional de energia que, também, refletem na redução de investimentos em novos sistemas de geração.
Neste trabalho são analisadas as necessidades de energia elétrica de uma unidade industrial pertencente ao setor de máquinas para construção, visando levantamento do seu perfil de consumo, e analisando a sua curva de carga, bem como verificando os fatores pertinentes as instalações elétricas, tais como os fatores de carga e demanda, sob a ótica tarifária.
A partir dos resultados obtidos, são avaliadas as possibilidades de fornecimento de energia elétrica, tomando-se como referência a atual condição. Deve-se destacar a realização de um estudo preliminar quanto à inserção de um sistema fotovoltaico no intuito de diminuir tanto a demanda quanto o consumo de eletricidade, como forma de incentivo ao uso de fontes alternativas de energia.
Para o sistema elétrico nacional, medidas de conservação de energia significam alívio para os sistemas geradores de eletricidade e impactam diretamente na redução do uso dos recursos naturais.
2 ENERGIA ELÉTRICA E DESENVOVIMENTO SUSTENTÁVEL
2.1 Introdução
As transformações energéticas estão intimamente relacionadas com o uso dos recursos naturais, sejam renováveis ou não-renováveis. Todavia, as disponibilidades dos recursos naturais possuem limitações conforme sua origem e os impactos ambientais estarão sempre presentes, sendo que, a intensidade dos mesmos dependerá das escolhas realizadas pela sociedade e dos meios de produção. Nesse sentido, o uso racional de energia representa uma estratégia com potencial de promover o desenvolvimento sustentável do ponto de vista da energia, bem como a avaliação e uso de fontes de energia que apresentem menor impacto ambiental.
2.2 Aspectos históricos recentes da questão energética
A partir da década de 1990 iniciou-se a corrida dos sistemas de geração de energia elétrica limpa que afetassem menos o ecosistema, podem-se citar entre esses sistemas: energia hidrelétrica renovável, sistemas termelétricos apartir de fontes renováveis e não renováveis, energia eólica, energia solar, e algumas outras fontes ainda pouco difundidas.
2.3 Fontes de energia
As fontes de energia são de suma importância nas atividades humanas, a partir delas é gerada a eletricidade que serve para iluminar , movimentar maquinas, levantar peso, mover veículos, entre diversas outras aplicações. No desenvolvimento dessas tarefas, as fontes energéticas necessitam de recursos naturais que podem ser classificados em renováveis ou não-renováveis.
Segundo Cerqueira e Francisco (2011), recursos renováveis são aqueles que tem a capacidade de se refazer ou não é limitado, podem-se citar a energia hidráulica, solar, eólica, biocombustíveis, entre outros, lembrando que esses tipos de fontes de energia não estão isentos de causar impactos ao meio ambiente.
As fontes não-renováveis correspondem aos recursos naturais que não tem a capacidade de se refazer, ou seja, são finitos e podem acabar a curto médio e longo prazo, dentre eles estão o petróleo, carvão, urânio e outros.
É importante salientar que as fontes energéticas a partir de recursos não-renováveis produzem poluentes superiores aos não-renováveis no que diz respeitos a emissão de gases de veículos automotores, vazamento de oleodutos, vazamento de navios petroleiros, lixo radioativo, entre outros.
2.3.1 Fontes convencionais
nas hidrelétricas. Estas fontes de energia, embora estejam aos poucos sendo substituídas por fontes alternativas menos poluentes (exceto hidrelétrica) e com menor impacto ao meio ambiente, ainda abrangem cerca de 90% da oferta mundial de energia por fonte como mostra a Figura 2.1.
Fonte – BEN (2011) Figura 2.1 – Estrutura de oferta mundial de energia por fonte.
2.3.1.1 Geração termelétrica não-renovável
A eletricidade gerada pela energia térmica se dá pelo aquecimento de uma caldeira de água através do calor gerado pela queima de um combustível, renovável ou não renovável. Esse aquecimento vai gerar vapor que passará por um duto, aumentando sua pressão, chegando às pás de uma turbina a vapor que está acoplada a um gerador de eletricidade. Daí por diante, basta despachar essa energia elétrica nas linhas de transmissão até o consumidor.
devido a custos mais elevados e também por causa da baixa qualidade do carvão disponível. O diesel tem sido mais usado no norte do país nos sistemas isolados e tem apresentado dificuldades com relação à manutenção.
Já o gás natural vem se mostrando como o combustível com maiores perspectivas no Brasil a curto e médio prazo. Hoje temos grande oferta e preços competitivos desse combustível, uma vez que ele existe em abundancia em nossos países vizinhos (principalmente na Bolívia) e ao curto período de implementação de centrais termelétricas a gás. O gasoduto Brasil-Bolívia, começado em 1997 e iniciado sua operação em 1999, impulsionou o uso do gás natural no Brasil na geração de eletricidade por gerar impactos ambientais menores que a maioria dos outros combustíveis. Estudos indicam que o gás natural poder ser uma estratégia a longo prazo para o mundo, onde ele seria a ponte para uma transição energética baseada em recursos renováveis e sustentável (REIS, 2003).
Segundo Almeida (2011), no Brasil as usina termelétricas eram acionadas apenas em casos de emergência por causa do sobre carregamento das usinas hidrelétricas. Após o racionamento que houve em 2001, as termelétricas começaram a entrar em cena para impedir que esse quadro se agravasse e, também, para aliviar o sistema hidrelétrico brasileiro. Mesmo a produção de eletricidade ser ainda na sua maioria advinda das hidrelétricas (aproximadamente 75%), nos últimos cinco anos a produção termelétrica chegou a abranger 15% desse total.
equilibrado pelas demais hidrelétricas, principalmente até maio de 2010, como indica o gráfico, quando o período seco já estava em curso. Essa situação resultou no melhor nível de armazenamento dos ultimos cinco anos (73%) nos reservatórios do sudeste no inicio de 2010, porém em novembro do mesmo ano, este nivel já estava em 41%, ou seja, pior do que o nível do mesmo período em 2007 (50%), resultando no fato das termelétricas serem novamente acionadas.
Fonte – Almeida (2011) Figura 2.2 – Níveis de produção de energia elétrica no Brasil.
2.3.1.2 Energia hidrelétrica
Figura 2.3 – Esquema de funcionamento de uma hidrelétrica.
No Brasil, o parque gerador de eletricidade é essencialmente hidrelétrico já há muitos anos. O Brasil é o quinto país do mundo em superfície e possui 8% do total de água doce existente, com isso, a fonte de eletricidade predominante no país e de menor custo tem sido de origem hidráulica. O baixo custo da energia hidrelétrica aliada à riqueza dos recursos hidrográficos colocou o Brasil em posição de destaque no cenário de geração de energia hidrelétrica mundial. Segundo a World Energy Council (2010), China, Brasil, Estados Unidos, Canadá e Rússia forma os 5 maiores produtores de hidroeletricidade em 2010. A soma de energia hidrelétrica gerada por estes países representa 52% do total mundial, segundo a Figura 2.4 (SILVEIRA; GUERRA, 2011).
De acordo com Reis (2003), atualmente têm-se feito esforços para incentivar a execução de usinas menores e locais, as chamadas “pequenas centrais hidrelétricas (PCH’s)”, que produzem de 1MW a 30MW e possui em reservatório com área inferior a 3 km² (ANEEL, 1998). Tais atitudes estão de acordo com as novas modificações estruturais na área de energia elétrica no Brasil: descentralização, privatização, aumento da confiabilidade, menores impactos socioambientais e técnicas modernas para diminuição de custos. Mas isso não significa que as execuções de grandes centrais hidrelétricas ou GCH’s, que produzem acima de 30 MW, caiam em desuso, uma vez que ainda existem
aproveitamentos atrativos em algumas regiões, como a região amazônica, também pelo fato da impossibilidade das PCH’s ou outras formas de geração, mesmo levando em conta o sucesso na conservação de energia, ser capaz de atender a demanda de energia no país.
2.3.2 Fontes não convencionais
Fontes não convencionais são estas que vem emergindo no mundo desde a década de 1990, ganhando cada vez mais destaque no cenário mundial com pesquisas e desenvolvimentos acentuados, buscando utilizar recursos naturais inesgotáveis como a energia solar e dos ventos, e também combustíveis renováveis a partir de resíduos que seriam normalmente descartados como a biomassa (lenha, casca de arroz, restos de madeiras entre outros).
2.3.2.1 Energia eólica
vai depender do tamanho das hélices e do regime de ventos da região onde a mesma está instalada.
É importante ressaltar que não basta apenas ter ventos ventos fortes para gerar essa energia, “além da velocidade dos ventos, é importante que eles sejam regulares, não sofram turbulências e nem estejam sujeitos a fenômenos climáticos como tufões"(informação verbal)1.
Segundo a Global Wind Energy (2010) a capacidade mundial de geração eólica é cerca de 200 GW sendo que já há investimentos da ordem de US$ 100 bilhões, somente em 2011 está previsto a instalação de 40 GW de capacidade e até 2015 a capacidade mundial poderá chegar a 450 GW, mais que o dobro em relação ao que tem-se hoje disponível. Entre os países que lideram na corrida de energia eólica, a China se encontra em primeiro lugar e já tem como meta para os próximos cinco anos a instalação de 70 GW como divulgaram em seu plano quinquenal, os Estados Unidos é o segundo seguido da Índia.
O Brasil tem um dos maiores potencias eólicos do planeta, sua primeira turbina eólica foi instalada em Ferando de Noronha em 1992, e vem crescendo desde então. Em 2001 quando houve a crise energética no Brasil por causa da seca, diminuiu demais os níveis das barragens hidrelétricas no país, levando a uma grave escassez de energia que nos levou a um racionamento de 20% do consumo de eletricidade para evitar uma crise no nosso sistema interligado nacional. Essa experiência mostrou ao Brasil que mesmo com a abundância do potencial hídrico que possui, não está imune a variações temperes, em 2002 foi criado então o Programa de Incentivo às Fontes Renováveis (PROINFA)
incentivando a utilização de outras fontes renováveis como eólica, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas (PCHs).
Com o PROINFA os parques eólicos no Brasil aumentaram muito e sua capacidade passou de 22 MW em 2003 para 937 MW em 2011. Existem ainda planos de investimentos, já autorizados pelo governo, que atingem 3600 MW distribuídos em aproximadamente 140 projetos. A Figura 2.5 mostra um parque eólico no Ceará.
Fonte – Global Wind Report, 2010 Figura 2.5 – Bons Ventos, fazenda eólica, Ceará.
2.3.2.2 Energia solar
Fonte – Zweibel (2008) Figura 2.6 – Distribuição da energia solar ao redor do mundo.
A energia solar gerando eletricidade pode ser de forma direta ou indireta. Na sua obtenção direta, ela se da através de células fotovoltaicas, normalmente feitas com silício, e outros equipamentos que transformam ou armazenam a energia solar para que possam ser utilizada facilmente pelo consumidor. Quando a luz solar incide sobre as células, são convertidas diretamente em eletricidade. O efeito fotovoltaico ocorre basicamente quando há emissão de elétrons por qualquer tipo de matéria quando o mesmo é submetido a uma radiação eletromagnética. Já a forma indireta consiste no uso do calor para gerar vapor que acionará uma turbina a vapor acoplada a um gerador elétrico, essa geração são feitas pelas usinas termelétricas (REIS, 2003).
do potencial hídrico do Brasil torna a energia gerada pelas hidrelétricas mais atrativa inviabilizando outras alternativas.
O custo de instalação de células fotovoltaicas esta por volta de US$ 4/W, mas a previsão é que em 2050 esse valor chegue a US$ 1,20/W (ZWEIBEL, 2008). Há muitos avanços a serem desenvolvidos dessa área, por exemplo, melhorar a eficiência da conversão da energia solar em elétrica pelas células fotovoltaicas (atualmente 15% de eficiência), pesquisas vem crescendo nesse ramo e as estimativas mostram como a energia solar pode vir a se tornar viável no futuro. A Figura 2.7 mostra uma central de captação de energia solar através de painéis fotovoltaicos na Espanha.
Figura 2.7 – Torre de energia solar na Espanha.
2.3.2.3 Energia termelétrica renovável
de forma a integrar-se aos sistemas de infra-estrutura, coligando-se ao saneamento (Reis, 2003).
Com isso, as indústrias têm investido no aproveitamento de seus próprios resíduos na cogeração de energia a partir de processos termelétricos, nesse viés, o uso da biomassa (lenha, casca de arroz, restos de madeira, etc.) tem se mostrado como uma alternativa para potencializar tais processos. Essas aplicações apesar de ainda serem restritas a pequenos aproveitamentos, seu uso na complementação da hidroeletricidade tende a crescer ao longo dos anos.
Não obstante, a criação de pequenas e médias centrais para a queima completa de resíduos vem avançando no Brasil e no mundo, onde as industrias estão tomando consciência de que os recursos supracitados para gerar energia elétrica oferece viabilidade econômica. Segundo informações da Agência Internacional de Energia (IEA), dentro de aproximadamente 20 anos, cerca de 30% do consumo total de energia no mundo será a partir de fontes renováveis, a Figura 2.1 mostra que esse consumo em 2009 era de 9,8% (CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM BIOMASSA, 2011).
Há várias décadas as indústrias do setor sucroalcooleiro vêm usando o bagaço da cana-de-açúcar (resíduo de seu processo) como combustível na cogeração, produzindo quase na totalidade o vapor e a eletricidade que consomem.
O tratamento de dejetos de produção pecuária (origem suína ou avícola), através de biodigestores anaeróbicos representa também uma oportunidade vantajosa para o saneamento ambiental quanto para o aproveitamento energético. Seu processo consiste na inserção da matéria orgânica dentro de um reservatório fechado onde são propiciados as condições ótimas de proliferação da cultura da bactéria que atua transformando a matéria orgânica principal.
Como produto dessa reação, temos o biogás, formado por uma mistura gasosa de dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4), que pode ser usado para
Nesse mesmo âmbito, o lixo urbano que tem valor significativo nos gastos dos cofres públicos tem sido objeto de estudos para de alguma forma geral energia e diminuir o impacto ambiental que o mesmo produz em aterros sanitários e lixões (PROJETO DE TERMOELÉTRICAS DE FONTE RENOVÁVEL, 2011).
2.4. Questões ambientais
Os impactos ao meio ambiente decorrentes do uso da energia de acordo com Reis (2003) podem ser elencados em:
a) Poluição do ar urbano
Talvez este seja o problema atual mais visível. Os combustíveis fósseis usados na geração de eletricidade são responsáveis pela emissão de óxidos de enxofre (SOx), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), monóxido de carbono
(CO), óxidos de nitrogênio (NOx) e outras partículas. A quantidade e proporção
de cada poluente dependem das características da usina em questão e do tipo de combustível usado (carvão, gás natural, óleo, madeira, energia nuclear, entre outros).
b) Chuva ácida
Resultado da formação de ácido sulfúrico (H2SO4) e ácido nítrico (H2NO3)
na atmosfera a partir do dióxido de enxofre (SO2) com os óxidos de nitrogênio
(NOx). A chuva ácida é extremamente prejudicial para a vegetação e para o
ecossistema em geral.
c) Efeito estufa e mudanças climáticas
dióxido de carbono (CO2), o qual tem se mostrado como mais agressivo entre os
gases devido a sua quantidade emitida (combustíveis fósseis) e a longa duração de suas implicações na atmosfera; gás metano (CH4); óxido nitroso (N2O) e os
clorofluorcarbonetos.
d) Alagamento
Dá-se principalmente pela construção de barragens para geração de eletricidade através das usinas hidrelétricas. Além de inundar grandes áreas, causando perdas de terras agricultáveis e afetando a fauna local, causam também problemas sociais no que diz respeito ao reassentamento das pessoas que tiveram que deixar seus lares.
Estes impactos ambientais têm gerado grandes discussões, os quais têm impulsionado órgãos legislativos a reger leis e normas cada vez mais rigorosas que protegem o meio ambiente e direciona o ser humano no caminho do uso racional de eletricidade, bem como na migração para as novas alternativas de energia limpa que vem surgindo e no desenvolvimento das mesmas.
2.5. Energia elétrica no setor industrial brasileiro
A Figura 2.8 dispõe de dados mostrando a oferta interna de energia elétrica segundo as fontes de energia disponíveis no Brasil.
Fonte – BEN, 2011 Figura 2.8 – Oferta de energia elétrica por fonte no Brasil.
Fonte – BEN, 2011 Figura 2.10 – Insumos usados nos processos industriais.
3 ELEMENTOS CONCEITUAIS
3.1 Introdução
Se tratando de desenvolver um diagnóstico energético no setor industrial, necessita-se de uma análise técnica minuciosa de alguns parâmetros e definições que são abordados neste capítulo a fim de proporcionar um melhor entendimento do assunto.
Além disso, buscou-se traçar algumas estratégias seguindo uma ordem cronológica dos eventos com o intuito de organizar um roteiro para o projeto energético, abrangendo de forma concisa todos os aspectos importantes do processo.
3.2 Procedimentos de análise energética
Basicamente, promover eficiência energética significa utilizar os conhecimentos de forma aplicada, utilizando conceitos da engenharia, economia e da administração aos sistemas energéticos. Contudo, dado a diversidade e ao grau de complexidade desses sistemas, é interessante apresentar técnicas e métodos para definir objetivos e ações a fim de melhorar o desempenho energético.
As perguntas que devem ser feitas, por qualquer setor da economia, para impulsionar uma análise energética são as seguintes:
x Quanta energia está sendo consumida?
x Quem está consumindo energia?
x Como se está consumindo energia, com qual eficiência?
auditoria energética, a terceira etapa corresponde a implementação das melhorias estudadas, e a quarta e última etapa consiste em acompanhar o processo modificado de forma contínua (MARQUES; HADDAD; MARTINS, 2006).
Figura 3.1 – Etapas de um programa de uso racional de energia.
3.2.1 Etapas de uma auditoria energética
Diversas metodologias padronizadas para efetuar auditorias energéticas foram desenvolvidas pela ANEEL e organizadas em um documento denominado Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST), cujos parâmetros são apresentados a seguir:
x Diagnóstico Energético: Identifica e quantifica todos os equipamentos consumidores de energia elétrica ao longo do processo produtivo; requer levantamentos de dados em campo, que permitem identificar pontos críticos e necessidades de atuação em equipamentos específicos. Não trata do aspecto econômico, abordando apenas a eletricidade em si.
x Avaliação dos pontos de desperdício de energia elétrica: consiste em identificar os pontos de desperdício e calcular o quanto se conseguiria de economia com a eliminação do problema.
o de maior importância para um tratamento integral do uso racional de energia. Nesta fase, já se inclui análises de alternativas energéticas com estudos de viabilidades econômicas priorizando a conservação de energia.
No Brasil há um grande acervo de informações já reunido no que diz respeito à auditoria energética, que são transmitidos através de cursos, publicações, livros, empresas de energia, consultores em auditoria entre outros, que tem condições de suprir qualquer requisito de indústria ou empresa no que se refere ao aspecto tecnológico.
Neste viés, de forma bem simples, pode-se usar a sequência de atividades da Figura 3.2 para se desenvolver uma auditoria energética (NOGUERIA, 1990).
Figura 3.2 – Etapas de uma auditoria energética.
3.2.2 Relatório do diagnóstico energético
decisões. O Quadro 3.1 apresenta os tópicos essenciais de um relatório de auditoria energética.
O diagrama de Sankey citado no tópico 5 do Quadro 3.1, é uma forma de apresentar os fluxos energéticos da empresa, desde sua entrada até os usos finais, caracterizando suas transformações intermediárias e as suas perdas. Os fluxos são representados por faixas, cuja largura corresponde à sua magnitude em unidades energéticas. Esse diagrama permite demonstrar que com medidas de racionalização energética o nível de demanda de atendimento pode se manter ou mesmo melhorar dependendo da redução das perdas associadas. A Figura 3.3 exemplifica como o diagrama é usado comparando duas situações, cuja situação original, para um acionamento com um efeito útil de 48 kW no eixo do motor, as perdas no transformador, cabos de distribuição e no motor somam 52 kW. Com a implementação das medidas de melhoria da eficiência energética, as perdas se reduzem para 40 kW, resultando uma demanda de 88 kW e produzindo a mesma potência de saída da condição originalmente estudada.
3.3 Definições de conceitos e fatores de projeto
Neste tópico elencaram-se os principais conceitos utilizados em uma auditoria energética, bem como a definição de alguns fatores, denominados fatores de projeto, que visam evitar o desperdício de energia. As definições e conceitos estão referenciados em Mamede Filho (2010), Marques, Haddad e Guardia (2007) e Marques, Haddad e Martins (2006).
1) Energia Ativa - É a energia capaz de produzir trabalho; a unidade de medida usada é o quilowatt-hora (kWh).
2) Energia Reativa - É a energia solicitada por alguns equipamentos elétricos, necessária à manutenção dos fluxos magnéticos e que não produz trabalho; a unidade de medida usada é o quilovar-hora (kVArh).
3) Potência - É a quantidade de energia solicitada na unidade de tempo; a unidade usada é o quilowatt (kW).
4) Fator de Potência (FP)2 - Obtido da relação entre energia ativa e reativa horária, a partir de leituras dos respectivos aparelhos de medição. A Figura 3.4 mostra o diagrama do fator de potência seguido de sua equação (3.1)
Figura 3.4 – Diagrama do fator de potência.
ap at p
P P
F (3.1)
2 Na presença de harmônicos, surge um terceiro eixo relacinado com a potência distorcida [kVA d],
Sendo Fp o fator de potência da carga; Pat a componente da potência ativa,
em kW ou seus múltiplos e submúltiplos e; Pap a potência aparente ou potência
total da carga, em kVA, ou seus múltiplos e submúltiplos.
O fator de potência é um número adimensional e pode também ser definido como o cosseno do ângulo formado entre o componente da potência ativa e o seu componente total quando a potência que flui no sistema é resultante de cargas lineares conforme a equação (3.2)
M cos p
F (3.2)
5) Demanda - É a potência média, medida por aparelho integrador durante qualquer intervalo de 15 (quinze) minutos.
6) Demanda Contratada - Demanda a ser obrigatória e continuamente colocada à disposição do consumidor, por parte da concessionária, no ponto de entrega, conforme valor e período de vigência fixado em contrato.
7) Fator de Demanda - É a relação entre a demanda máxima do sistema e a carga total instalada a ele durante um intervalo de tempo considerado. O valor de demanda é usualmente menor que a unidade, adimensional e é descrito pela equação (3.3).
inst máx d
P D
F (3.3)
Dmáx - demanda máxima da instalação, em kW ou kVA;
Pinst - potência da carga conectada, em kW ou kVA.
8) Carga Instalada - Soma da potência de todos os aparelhos, que estejam em condições de funcionamento, instalados nas dependências da unidade consumidora.
qual a demanda máxima foi mantida durante o intervalo de tempo considerado, com isso, mostra se a enrgia esta sendo utilizada de forma racional.
máx méd c
P D
F (3.4)
10) Fator de Simultaneidade - Relação entre a demanda máxima do grupo de aparelhos pela soma das demandas individuais dos aparelhos do mesmo grupo num intervalo de tempo considerado. O fator de simultaneidade é sempre inferior a unidade. O Quadro 3.2 fornece os fatores de simultaneidade para diferentes potências de motores em agrupamentos e outros aparelhos.
Quadro 3.2 – Fatores de simultaneidade.
Aparelhos Número de Aparelhos
2 4 5 8 10 15 20 50
Motores: 3/4 a 2,5 cv 0,85 0,80 0,75 0,70 0,60 0,55 0,50 0,40 Motores: 3 a 15 cv 0,85 0,80 0,75 0,75 0,70 0,65 0,55 0,45 Motores: 20 a 40 cv 0,80 0,80 0,80 0,75 0.65 0,60 0,60 0,50 Acima de 40 cv 0,90 0,80 0,70 0,70 0,65 0,65 0,65 0.60 Retificadores 0,90 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,70 0,70 Soldadores 0,45 0,45 0,45 0,40 0,40 0,30 0,30 0,30
Fornos resistivos 1,00 1,00 - - - -
Fornos de indução 1,00 1,00 - - - -
11) Fator de utilização – É o fator pelo qual deve ser multiplicada a potência nominal do aparelho para se obter a potência média absorvida pelo mesmo, nas condições de utilização. O Quadro 3.3 fornece os fatores de utilização dos principais equipamentos utilizados nas instalações elétricas industriais.
12) Tarifa de Demanda - Valor em reais do kW de demanda, em um determinado segmento Horo-Sazonal.
13) Tarifa de Consumo - Valor em reais do kWh ou MWh de energia utilizada, em um determinado segmento Horo-Sazonal.
14) Tarifa de Ultrapassagem - Tarifa a ser aplicada ao valor de demanda registrada que superar o valor da demanda contratada, respeitada a tolerância. 15) Horário de Ponta (HP) - Período definido pela concessionária e composto por três horas consecutivas, exceção feita aos sábados e domingos, terça-feira de Carnaval, sexta-feira da Paixão, Corpus Christi, dia de Finados e os demais feriados definidos por lei federal (01/01, 21/04, 01/05, 07/09, 12/10, 15/11 e 25/12). Neste horário a energia elétrica é mais cara.
16) Horário Fora de Ponta (HFP) - São as horas complementares às três horas consecutivas que compõem o horário de ponta, acrescidas da totalidade das horas dos sábados e domingos e dos 11(onze) feriados indicados anteriormente. Neste horário a energia elétrica é mais barata.
17) Período Seco (S) - É o período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de maio a novembro de cada ano.
18) Período Úmido (U) - É o período de 5 (cinco) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano a abril do ano seguinte.
3.4 Condições de fornecimento de energia elétrica
As condições gerais de fornecimento de energia elétrica são estabelecidas pela resolução da ANEEL nº 414/2010 (ANEEL, 2010). Neste documento, as unidades consumidoras são divididas em grupos, distinguindo-se uns dos outros pelo nível de tensão de fornecimento, apresentando cada um deles, valores definidos de tarifa. Este nível de tensão está relacionado com a carga instalada na unidade consumidora.
Compete à distribuidora informar ao interessado a tensão de fornecimento para a unidade consumidora, com observância dos seguintes critérios:
I – tensão secundária em rede aérea: quando a carga instalada na unidade consumidora for igual ou inferior a 75 kW;
II – tensão secundária em sistema subterrâneo: até o limite de carga instalada conforme padrão de atendimento da distribuidora;
III – tensão primária de distribuição inferior a 69 kV: quando a carga instalada na unidade consumidora for superior a 75 kW e a demanda a ser contratada pelo interessado, para o fornecimento, for igual ou inferior a 2.500 kW; e
IV – tensão primária de distribuição igual ou superior a 69 kV: quando a demanda a ser contratada pelo interessado, para o fornecimento, for superior a 2.500 kW.
3.4.1 Classificação dos consumidores de energia elétrica
As unidades consumidoras de energia elétrica são classificadas pelo nível de tensão em que são atendidos e para fins de faturamentos são agrupadas em dois grupos tarifários segundo ANELL (2010).
Quadro 3.4 – Tensão de fornecimento – Grupo A.
x Grupo B - grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão inferior a 2,3 kV, caracterizado pela tarifa monômia e subdividido nos seguintes subgrupos:
a) subgrupo B1 – residencial; b) subgrupo B2 – rural;
c) subgrupo B3 – demais classes; e d) subgrupo B4 – Iluminação Pública.
3.4.2 Aspectos de comercialização de energia elétrica
A partir de 2004, o governo brasileiro estabeleceu um novo macro regulatório para o setor elétrico, segundo CCEE (2011), visando garantir a segurança do suprimento energético do país. Em 10 de novembro de 2004 passou então a operar no Brasil a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), cuja finalidade seria viabilizar a comercialização de energia elétrica no sistema interligado nacional, buscando obter, quando possível, competição na geração e nas formas de contratação de energia elétrica em dois ambientes distintos, que serão abordados mais a frente, denominados: ambiente de contratação regulado (ACR) e ambiente de contratação livre (ACL).
ou negativas são liquidadas no “Mercado de Curto Prazo” e valoradas ao PLD (Preço de Liquidação das Diferenças), determinado semanalmente para cada patamar de carga e para cada submercado, tendo como base o custo marginal de operação do sistema, este limitado por um preço mínimo e por um preço máximo (MARQUES; HADDAD; MARTINS, 2006).
Os agentes associados que fazem parte da CCEE, estão divididos nas categorias de geração, de distribuição e de comercialização podendo ser facultativos ou obrigatórios. As condições que definem a obrigatoriedade dos agentes são apresentadas a seguir:
x Agentes de geração
9 Concessionários ≥ 50 MW instalados
9 Produtores Independentes ≥ 50 MW instalados 9 Autoprodutores ≥ 50 MW instalados
x Agentes de distribuição
9 Consumo ≥ 500 GWh/ano
9 Agentes que adiquirem toda energia com tarifa regulada
x Agentes de comercialização
9 Importadores e exportadores ≥ 50 MW intercambiados 9 Comercializadores ≥ 500 GWh/ano
9 Consumidores livres
Com os novos moldes de comercialização forma criados dois ambientes de contratação de energia, o ambiente de contratação regulado (ACR) e ambiente de contratação livre (ACL). No ACR a contratação se dá através de contratos bilaterais regulados, denominados contratos de comercialização de energia elétrica no ambiente regulado (CCEAR), entre agentes vendedores (comercializadores, geradores, produtores independentes ou autoprodutores) e Compradores (distribuidores) que participam dos leilões de compra e venda de energia elétrica.
importante salientar que tanto para o ACR quanto para o ACL, as tarifas de distribuição e condições de fornecimentos são regulamentadas pela ANEEL.
3.5 Tarifas de energia elétrica
As modalidades tarifárias são duas, os consumidores do grupo B (baixa tensão) tem tarifa monômia, ou seja, são cobrados apenas pela energia que consomem, e os consumidores do grupo A com tarifa binômia, ou seja, são cobrados tanto pela demanda quanto pela energia que consomem. Estes consumidores podem enquadrar-se em uma de três alternativas tarifárias:
9 Tarifação convencional 9 Tarifação horo-sazonal verde
9 Tarifação horo-sazonal azul (compulsória para aqueles atendidos em tensão igual ou superior a 69 kV)
Grandes partes das informações a seguir estão referenciadas segundo o manual de tarifação de energia elétrica Procel (2001), as normas ANELL (2010) e de alguns conceitos de Marques, Haddad e Martins (2006).
3.5.1 Tarifa convencional
Nesta classificação se fixa um contrato específico com a concessionária de um único valor de demanda pretendida pelo consumidor (Demanda Contratada), independente da hora do dia (ponta ou fora de ponta) ou período do ano (seco ou úmido).
Pconsumo=Tarifa de Conumo x Consumo Medido (3.5)
P demanda = Tarifa de Demanda x Demanda Contratada (3.6)
P ultrapassagem = Tarifa de Ultrapassagem x (Demanda Medida - Demanda Contratada) (3.7)
Observação: Na tarifação convencional, a tarifa de ultrapassagem corresponde a três vezes a tarifa de demanda.
3.5.2 Tarifação horo-sazonal verde
Essa modalidade é caracterizada pela aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica, de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, assim como de uma única tarifa de demanda. O enquadramento dos consumidores do grupo A, subgrupos A3a, A4 e AS, é opcional.
A conta de energia elétrica desses consumidores é composta da soma de parcelas referentes ao consumo (na ponta e fora dela), demanda e ultrapassagem apresentadas nas equações (3.8), (3.9), (3.10), respectivamente.
P consumo= Tarifa de Consumo na ponta x Consumo Medido na Ponta +
Tarifa de Consumo fora de Ponta x Consumo Medido fora de Ponta (3.8)
A parcela de demanda é calculada multiplicando-se a tarifa de demanda pela demanda contratada ou pela demanda medida (a maior delas), caso esta não ultrapasse em mais de 5% a demanda contratada. A tarifa de demanda é única, independente da hora do dia ou período do ano.
P demanda = Tarifa de Demanda x Demanda Contratada (3.9)
ultrapassa em mais de 5% a demanda contratada. É calculada multiplicando-se duas vezes a tarifa de demanda pelo valor da demanda medida que supera a
demanda contratada:
P ultrapassagem = 2 x Tarifa de Demanda x (Demanda Medida – Demanda Contratada) (3.10)
3.5.3 Tarifação horo-sazonal azul
Essa modalidade caracterizada pela aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica, de acordo com as horas de utilização do dia e os períodos do ano, entretanto, ao contrário da tarifa verde, a tarifa azul possui tarifas diferenciadas de demanda, de acordo com as horas de utilização do dia. O enquadramento dos consumidores do Grupo A na tarifação horo-sazonal azul é obrigatório para os consumidores dos subgrupos A1, A2 ou A3.
A parcela de consumo é calculada pela equação (3.11) e de demanda pela equação (3.12).
P consumo= Tarifa de Consumo na ponta x Consumo Medido na Ponta +
Tarifa de Consumo fora de Ponta x Consumo Medido fora de Ponta (3.11)
P demanda= Tarifa de Demanda na Ponta x Demanda Contratada na Ponta +
Tarifa de Demanda fora de Ponta x Demanda Contratada fora de Ponta (3.12)
A parcela de ultrapassagem é cobrada apenas quando a demanda medida ultrapassa a demanda contratada acima dos limites de tolerância. Esses limites são de 5% e é calculada pela equação (3.13) multiplicando-se duas vezes a tarifa de demanda pelo valor da demanda medida que supera a demanda contratada.
P ultrapassagem = 2 x Tarifa de Demanda na Ponta x (Demanda Medida na Ponta
-Demanda Contratada na Ponta) + 2 x Tarifa de -Demanda fora de Ponta x
(Demanda Medida fora de Ponta - Demanda Contratada fora de Ponta)
O Quadro 3.5 mostra um resumo de todas as estruturas tarifárias comentadas.
Quadro 3.5 – Resumo do faturamento tarifário.
3.5.4 Energia reativa e fator de potência
Essa energia, embora não realiza trabalho útil e produz perdas por causar aquecimento nos condutores, é solicitada por alguns equipamentos elétricos. A energia reativa tem como unidades de medida usuais o kVArh e a potência reativa o kVAr.
Os consumidores do grupo A pagam pela energia reativa, da mesma forma que a energia ativa, apenas muda as medições e os nomes. O limite é indicado de forma indireta pelo fator de potência, que reflete a relação entre as energias ativa e reativa consumidas. De acordo com a ANELL (2010) o fator de potência, indutivo ou capacitivo, tem como limite mínimo permitido, para as unidades consumidoras, o valor de 0,92.
Na tarifa convencional pagam tanto o consumo de energia reativa (UFER) quanto a demanda reativa (UFDR), equações (3.14) e (3.15).
FER = Tarifa de Consumo x UFER (3.14)
Sendo: FER – Faturamento de Energia Reativa FDR – Faturamento de Demanda Reativa
Na tarifa verde, pagam o consumo de energia reativa na ponta e fora de ponta (UFER) e a demanda reativa (UFDR), equações (3.16) e (3.17).
FER = Tarifa de Consumo na Ponta x UFER na Ponta +
Tarifa de Consumo fora de Ponta x UFER fora de Ponta (3.16)
FDR = Tarifa de Demanda x UFDR (3.17)
E na tarifa azul, pagam tanto o consumo de energia reativa (UFER) quanto da demanda reativa (UFDR), para as horas de ponta e horas fora de ponta, equações (3.18) e (3.19).
FER = Tarifa de Consumo na Ponta x UFER na Ponta +
Tarifa de Consumo fora de Ponta x UFER fora de Ponta (3.18)
FDR = Tarifa de Demanda na Ponta x UFDR na Ponta +
Tarifa de Demanda fora de Ponta x UFDR fora de Ponta (3.19)
Aos montantes de energia elétrica e demanda de potência reativa que excederem o limite permitido, aplicam-se as cobranças estabelecidas nos artigos 96 e 97 da seção IV da resolução da ANELL (2010). Não foram colocadas as equações referentes a estas cobranças neste trabalho devido a suas complexidades e também pelas mesmas não serem o foco do projeto.
3.6 Iluminação
Diversos trabalhos mostram que a iluminação ineficiente é comum no Brasil. Uma auditoria energética nessa área, no setor industrial, consiste basicamente em fazer um levantamento em campo das lâmpadas, reatores, sensores, luminárias e refletores utilizados no sistema de iluminação vigente, e então fazer um estudo observando se é possível produzir a mesma luz com menor consumo de energia, ou então, produzir com o mesmo consumo de energia, maior quantidade de luz, dependendo das necessidades da indústria.
Para isso é necessário interagir com as tecnologias em eficiência luminosa do mercado, levando em conta a viabilidade econômica da implementação de um novo sistema de iluminação.
4 ESTUDO DE CASO
4.1 Introdução
Tendo o capítulo 3 como base teórica das principais características e etapas que se devem seguir para uma eficiente análise energética, objetivou-se, no presente capítulo, um estudo de caso exemplificando os procedimentos do capítulo anterior, bem como a apresentação de propostas e soluções de melhorias para o caso em desenvolvimento.
4.2 Escolha da empresa a ser analisada
O estudo de caso apresentado é uma adaptação de uma empresa do segmento industrial na área de máquinas para construção, emprega entre 1.000 a 1.300 funcionários, dentro de sua planta consta de edifícios como: administração, refeitório, produção (usinagem, mineração, caldeiraria e solda, corte, pintura e montagem), almoxarife e estoque de produtos acabados.
A auditoria energética, realizada nesta planta, consistiu em tratar apenas a energia elétrica utilizada, de maneira que, através de tabelas e gráficos foi possível traçar o perfil energético da empresa. Todavia, em atendimento a uma cláusula de sigilo, algumas informações não foram disponibilizadas.
4.3 Levantamento de potências instaladas
Quadro 4.1 – Total de potência instalada na planta da empresa.
Empresa [kW ] %
Potência Total Área de produção 8507 96
Potência Total Área Administrativa 331 4
Potência Total Instalada 8838 100
Figura 4.1 – Porcentagem de potência instalada por setor.
4.4 Caracterização da empresa no mercado energético
A empresa estudada é classificada como consumidor de energia elétrica do grupo A, subgrupo A4, sendo atendida na tensão de 13,8 kV, tendo como limite de demanda para se contratar de 2.500 kW segundo a resolução da ANEEL (2010); a mesma, contrata energia no ambiente de contratação livre (ACL), com contratos de 1.250 kW de demanda para o horário de ponta e fora de ponta até julho de 2011, sendo a partir deste mês 1.500 kW na ponta e 1.300 kW fora de ponta. Até março de 2011 o limite de tolerância de ultrapassagem da demanda contratada era de 10%, sendo a partir daí 5% (ANELL, 2010).
Através de contratos bilaterais, a empresa em questão possui tarifa binômia, na qual o consumo de energia é pago para a comercializadora de energia do mercado livre e a demanda é paga para a concessionária de energia, de acordo com as tarifas para consumidores livres do Quadro 4.2, segundo a resolução homologatória ANEEL (2010). A principal vantagem, nesse caso, é a economia garantida proporcionada ao consumidor, além da liberdade de contratação de diferentes valores de demanda, para horários de ponta e fora de ponta, ajustando-se melhor à sua produção.
Quadro 4.2 – ANELL – Anexo II-A – Tarifa de demanda para consumidores livres.
Economia garantida é uma porcentagem que a comercializadora de energia se compromete a cobrir em cima do valor simulado do quanto que o consumidor teria que pagar para o ACR caso ainda estivesse sob esse regime e mediante as mesmas tarifações à que pertencia, a empresa estudada pertencia ao grupo de tarifação horo-sazonal verde.
Para melhor compreensão da funcionalidade da economia garantida, elaborou-se dois casos hipotéticos para exemplificar.
consumidor e a energia comercializada no ACL (R$ 95,00 – R$ 90,00), seu prejuízo é, na verdade, a diferença entre o valor faturado e o simulado, menos o lucro que ela obteve ao comercializar a energia no ACL, ou seja, R$ [(105,00 – 95,00) – (95,00 – 90,00)], portanto, neste caso, a comercializadora teve que se responsabilizar por um prejuízo de R$ 5,00 para honrar seu contrato com o consumidor de 5% de economia garantida.
2º Caso: a fatura de energia, segundo as tarifas para consumidores livres, é de R$ 105,00, o valor obtido na simulação é de R$ 100,00, e valor que a comercializadora pagou pela energia, que a empresa consumiu, no ACL é de R$ 80,00; considerando 5% de economia garantida, o consumidor pagará R$ 95,00, como no caso anterior, a comercializadora se encarregará de cobrir o excedente de R$ 10,00, também como no caso anterior, porém, agora, ela obteve R$ 15,00 de lucro em relação ao contrato de economia garantida com o consumidor e a energia comercializada no ACL (R$ 95,00 – R$ 80,00), portanto, neste segundo caso, como a comercializadora conseguiu um melhor preço de energia no ACL, mesmo depois de honrar seu contrato de 5% de economia garantida com o consumidor, ela ainda obteve um lucro de R$ (15,00 – 10,00), ou seja, R$ 5.00.
Nota-se, portanto, que a comercializadora livre leva vantagem ou desvantagem sobre o consumidor de acordo com o preço de energia que ela negocia no ACL, tal preço, varia de acordo com época do ano, período seco e úmido.
Geralmente, é viável para uma empresa participar efetivamente do ACL quando a energia elétrica é um insumo de porcentagem considerável no processo produtivo, o que torna sua comercialização em um negócio rentável, todavia, na maioria das indústrias de médio porte tem-se preferido a economia garantida, que não fica sujeita a grandes instabilidades e proporciona uma segurança maior para o consumidor, deixando para as comercializadoras livres o papel de mediadoras.
No estudo de caso abordado, tem-se 4% de economia garantida, que tem gerado aproximadamente R$ 7.000,00/mês de economia num total de R$ 84.000,00/ano, um valor expressivo para esta empresa, gerando, portanto, segurança e satisfação pelo fato da migração parcial para o ACL.
4.5 Análise dos dados de demanda de energia elétrica
Através da análise do comportamento do gráfico de demanda ativa da empresa ao longo de 2011, mostrado na Figura 4.2, juntamente com o Quadro 4.3 que relacionam os valores de demanda na ponta e fora de ponta, atingidos em cada mês, e do Quadro 4.4 que apresenta os principais valores de demanda desse período, pode-se constatar diversas situações que podem ser melhoradas.
Primeiramente, deve-se entender que a análise de demanda tem por objetivo à sua adequação as reais necessidades da unidade consumidora. O caso ideal é quando a demanda de potência contratada seja igual a demanda registrada e portanto faturada, pois nesta situação estará se pagando por aquilo que realmente se necessita.
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
jan/ 11 fev/ 11 mar/ 11 abr/ 11 mai/ 11 jun/ 11 jul/ 11 ago/ 11 set/ 11 out/ 11 nov/ 11 dez/ 11 [kW ] Demanda Ativa 2011
P FP
Figura 4.2 – Perfil da demanda ativa anual de 2011.
Quadro 4.3 – Demandas de ponta e fora de ponta ao longo de 2011. Primeiro Semestre
Mês Ponta Fora de Ponta jan 1.087,0 kW 1.382,6 kW
fev 1.206,2 kW 1.451,5 kW
mar 1.174,3 kW 1.444,8 kW
abr 1.285,2 kW 1.328,9 kW
mai 1.322,2 kW 1.488,5 kW
jun 1.241,5 kW 1.407,8 kW
Segundo Semestre
Mês Ponta Fora de Ponta jul 1.454,9 kW 1.367,5 kW
ago 1.268,4 kW 1.483,4 kW
set 1.362,5 kW 1.399,4 kW
out 1.300,3 kW 1.491,8 kW
nov
dez
Quadro 4.4 – Principais valores de demanda de 2011.
Ponta Fora de Ponta Total
Demanda Máxima 1.454,9 kW 1.491,8 kW
26/07/2011 18:45 06/10/2011 09:45
Demanda Média 871,9 kW 685,1 kW
Contrato Período Seco 1.300,0 kW 1.500,0 kW
Contrato + Tolerância 1.365,0 kW 1.575,0 kW
01/05
Contrato Período Úmido 1.300,0 kW 1.500,0 kW
Contrato + Tolerância 1.365,0 kW 1.575,0 kW
01/12
Calculando-se os valores dessas multas segundo a equação (3.13) e utilizando as tarifas do Quadro 4.2 do subgrupo A4, chegou-se aos valores apresentados no Quadro 4.5. Observa-se que de janeiro a junho houve multas por ultrapassagem no horário fora de ponta e depois que a demanda passou para 1500 kW não houve mais essa ocorrência, porém, mesmo com apenas duas ultrapassagens do horário de ponta, no mês de maio e julho, o valor total da multa desse horário ultrapassou a do horário de fora de ponta mesmo somando todos os meses que ultrapassou.
Esses valores remetem ao cuidado que se deve ter para não ultrapassar os valores de demanda contratados, principalmente no horário de ponta cuja tarifa chega a ser mais que quatro vezes o valor da tarifa do horário fora de ponta.
Quadro 4.5 – Multas por ultrapassagem de demanda contratada ao longo de 2011.
Mês Ultrapassagem
Ponta
Ultrapassagem Fora de Ponta
jan/ 11 R$ 0,00 R$ 1.949,81
fev/ 11 R$ 0,00 R$ 2.962,05
mar/ 11 R$ 0,00 R$ 2.838,86
abr/ 11 R$ 0,00 R$ 1.159,54
mai/ 11 R$ 4.412,86 R$ 3.505,95
jun/ 11 R$ 0,00 R$ 2.319,66
jul/ 11 R$ 12.523,49 R$ 0,00
ago/ 11 R$ 0,00 R$ 0,00
set/ 11 R$ 0,00 R$ 0,00
out/ 11 R$ 0,00 R$ 0,00
nov/ 11 R$ 0,00 R$ 0,00
dez/ 11 R$ 0,00 R$ 0,00
Soma R$ 16.936,35 R$ 14.735,87
Total Multa 2011 R$ 31.672,22
-500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 [kW] Dem. FP Dem. FP-Prev. Limite de Potência em 13,8 kV 1
Figura 4.3 – Projeção de crescimento da demanda.
Sendo Dem.FP – Demanda fora de ponta e Dem.FP-Prev – Demanda fora de ponta prevista e ponto 1 indica o ano em que o limite de potência que se pode contratar do subgrupo A4 é atingido.
Medidas como renegociação do contrato de demanda junto a concessionária devem ser tomadas, se possível, com um estudo de projeção de crescimento da empresa visando contratar uma demanda que seja suficiente para suprir suas necessidades por um período de pelo menos dois anos.
Esse procedimento se dá por causa do prazo que uma concessionária tem para analisar uma proposta de renegociação de demanda antes de implementá-la, o período de espera pode chegar a 180 dias, e ainda assim, a concessionária pode dar uma resposta negativa por falta de disponibilidade da potência desejada pelo consumidor ou por falta de infra-estrutura da rede naquele ramal de chegada para fornecimento de energia, quando isso acontece, o consumidor tem que buscar novas alternativas energéticas ou então analisar a hipótese de migrar para um subgrupo que tensão de fornecimento permite atender potências mais elevadas. Entretanto, para isso é necessário estudos de viabilidade econômica, pois demandam autos investimentos.
na conta de energia elétrica, são indicativos de que medidas de melhorias podem ser efetuadas.
Levando em conta que a demanda registrada é obtida pelo valor discreto máximo ocorrido no mês, pode-se tomar como regra o cuidado para que o consumo de energia elétrica seja tão uniforme quanto possível e que picos de demanda sejam evitados, deve-se tomar cuidado para que um alto fator de carga num dado momento não comprometa o contrato de demanda, ultrapassando-o em 5% de tolerância, acarretando com isso multa desnecessária, também é necessário se precaver contra o subdimensionamento da demanda contratada, pois esta gera aumento dos custos com energia que devem ser evitados.
Para empresas onde a demanda varia muito, a instalação de sistemas automáticos de supervisão e controle da demanda, podem proporcionar uma redução significativa nos gastos com energia elétrica.
4.6 Fatores de projeto
Os projetistas têm o papel de decidir sobre a previsão de demanda da instalação, levando em consideração as características das cargas e do tipo de operação da indústria. Há indústrias em que praticamente toda carga instalada está simultaneamente em operação em regime normal, todavia, há também outras indústrias em que há diversidade de operação entre diferentes setores de produção, por isso, é de suma importância considerar essas situações no dimensionamento dos equipamentos.
Sendo assim, a aplicação de alguns fatores, denominados fatores de projeto, se tornam necessários tanto para auxiliar os projetistas na tomada de decisão sobre quanto de demanda contratar, evitando sobre e sub dimensionamentos em relação a demanda contratada e em relação a condutores e barramentos da instalação elétrica.
fatores de projeto, além do fator de carga, mais utilizados na indústria estão o fator de demanda, fator de simultaneidade e fator de utilização.
4.6.1 Análise do fator de demanda
Uma empresa que pretende montar uma planta de produção e tem em mãos a quantidade de cargas a ser instalada, pode ter uma razoável noção do quanto ela teria que ter de demanda contratada através de uma tabela típica de fatores de demanda por ramo de atividade, como mostra o Quadro 4.6, para que a mesma esteja na média em relação as outras empresas do mesmo segmento. Entretanto, não significa que a empresa será penalizada caso esteja abaixo do Fd
típico, mas sim, que houve uma falha no planejamento da planta, refletidos, agora, através desse parâmetro.
Quadro 4.6 – Fator de demanda e de carga típicos para consumidores ligados em alta tensão.
* Celesc Distribuidora S.A (2011) ** Cotrim (2003)
A planta estudada apresenta uma potência instalada de 8.838 kW, segundo o Quadro 4.1, e a demanda máxima atingida em 2011 foi de 1.491,8 kW no horário de ponta, segundo o Quadro 4.4, portanto, calculando segundo a equação (3.3) tem-se Fd = 0,17.
Com isso, nota-se um Fd abaixo do Fd típico de 0,25 do Quadro 4.6,
Neste caso, é melhor que se reveja a necessidade dos maquinários da planta para se necessário vender alguns deles, ou então, tentar buscar um melhor aproveitamento dos mesmos através da expansão da produção.
4.6.2 Análise do fator de carga
O fator de carga baixo, como dito anteriormente, é um dos indicativos mais importantes de que melhorias podem ser feitas. Através então do gráfico da Figura 4.4 e do Quadro 4.7 pode-se fazer algumas considerações.
Figura 4.4 – Fator de carga ao longo de 2011.
Quadro 4.7 – Principais valores do fator de carga.
Ponta Fora de Ponta
Fa t or de Ca r ga M áx im o 76,8 % 52,4 %
01/ 09/ 2011 00: 15 01/ 02/ 2011 00: 15
Fa t or de Ca r ga M ínim o 0,0 % 0,0 %
01/ 11/ 2011 00: 15 01/ 11/ 2011 00: 15
Fa t or de Ca r ga n o Pe ríodo 67,1 % 45,7 %
Para uma empresa do segmento industrial como a do estudo de caso em questão, a mesma deve possuir um fator de carga de 0,37 para estar na média entre as empresas do mesmo ramo, segundo o Quadro 4.6.
Observa-se na Figura 4.4 que para este caso o Fc da ponta é sempre maior
